紐約布魯克林，2019年8月19日星期一——紐約大學(xué)坦登工程學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新方法，通過將機械工程和物理原理應(yīng)用于現(xiàn)在已經(jīng)很好理解的過程，來識別單個細(xì)胞的狀態(tài)。宏觀，但還不是細(xì)胞層面：損傷、疾病等應(yīng)激因素如何迫使生物體進(jìn)入新的平衡層面——尋找一種被稱為動態(tài)平衡“新常態(tài)”的生物過程。研究者的研究成果對高血壓、糖尿病等慢性疾病的診斷和分期具有重要意義。
該團(tuán)隊由機械與航空航天工程及生物醫(yī)學(xué)工程助理教授陳偉強和機械與航空航天工程行業(yè)助理教授Vittoria Flamini領(lǐng)銜，利用活細(xì)胞成像和新型微機械工具，對細(xì)胞施加瞬時局部物理壓力，同時測量動態(tài)抑制反應(yīng)、細(xì)胞骨架(CSK)等細(xì)胞結(jié)構(gòu)和細(xì)胞能量張力。
這項名為“機械驅(qū)動細(xì)胞的能量介導(dǎo)的機械動力學(xué)”的研究將在《高級材料》上發(fā)表，該研究將詳細(xì)介紹該團(tuán)隊如何測量機械應(yīng)力和細(xì)胞能量，并將應(yīng)力模式與型慢性病患者的細(xì)胞進(jìn)行比較。糖尿病，允許他們建立糖尿病和其他疾病的預(yù)測模型。
為了研究細(xì)胞如何通過機械和能量相關(guān)的過程“重塑”外界刺激，研究團(tuán)隊采用了陳研發(fā)的鑷子，利用超聲波脈沖和附著在細(xì)胞膜上的“微泡”——脈沖擾動氣泡——對細(xì)胞施加機械力。該團(tuán)隊將血管肌肉測試細(xì)胞嵌入含有彈性聚二甲基硅氧烷(PDMS)微柱的基質(zhì)中。這種布置允許他們通過測量微柱基底的偏轉(zhuǎn)來量化操作期間的細(xì)胞力和能量。熒光顯微鏡使該團(tuán)隊能夠直觀地監(jiān)控壓力如何重組CSK，尤其是其成分肌動蛋白和肌球蛋白，就像子午線鋼帶輪胎中的金屬纖維一樣。
利用實驗結(jié)果，該團(tuán)隊建立了一個新的能量驅(qū)動細(xì)胞機器的生物物理模型，以了解細(xì)胞中的動態(tài)平衡。在這個過程中，細(xì)胞能量不僅提供自適應(yīng)驅(qū)動力，還提供負(fù)反饋，幫助細(xì)胞系統(tǒng)重新穩(wěn)定。
“扭曲的能量模式和細(xì)胞不適應(yīng)可能表明健康狀況已經(jīng)變成了一種病態(tài)環(huán)境，比如糖尿病、高血壓或衰老，”陳說。
在引入細(xì)胞產(chǎn)生特定功能障礙的細(xì)胞模型(即疾病表型)之前、期間和之后，研究人員測試了四種CSK張力、肌動蛋白和肌球蛋白以及凈能量的表現(xiàn)。例如，在這種模式下，作為肌動蛋白纖維的細(xì)胞CSK結(jié)構(gòu)的破壞會導(dǎo)致弱適應(yīng)過程，這可以揭示病理狀況，例如糖尿病，而細(xì)胞中肌動蛋白聚合的過度活性會導(dǎo)致“長時間興奮”或“低反應(yīng)性”，而沒有“關(guān)閉”時間。高血壓及其他疾病的擾動。
弗拉米尼說：“能量平衡是健康的代表?！澳芰亢臀锢韰⑴c細(xì)胞行為；概念證明是能源模型如何看待不同的條件。我們已經(jīng)證明，我們可以預(yù)測這一點。”
她解釋說：“通過變化實現(xiàn)穩(wěn)定的能力是一種關(guān)鍵的生物適應(yīng)，使生物體能夠穩(wěn)定內(nèi)部和外部環(huán)境的變化?！叭欢?，尚不清楚它是如何在單個細(xì)胞中發(fā)生的。我們的研究為單細(xì)胞系統(tǒng)解決了這個問題，其中能量起著關(guān)鍵作用?！?
魏強補充說，“該團(tuán)隊與NYU朗科健康的同事合作，專注于心血管疾病，因為它們與血管細(xì)胞的機械行為直接相關(guān)。例如，在動脈瘤中，炎癥會影響調(diào)節(jié)血管細(xì)胞彈性的蛋白質(zhì)?，F(xiàn)在我們正在這樣研究疾病發(fā)展的機械力?！?
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